單向靜拉伸力學(xué)性能

單向靜拉伸實(shí)驗(yàn)特點(diǎn):（1）最廣泛使用的力學(xué)性能檢測(cè)手段;（2）實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)、加載速率、試樣尺寸、溫度等都有國(guó)標(biāo)規(guī)定。（3）最基本的力學(xué)性能（彈性、塑性、斷裂）（4）可測(cè)力學(xué)性能指標(biāo)：強(qiáng)度（σ）、塑性（δ、ψ）等。當(dāng)前1頁，總共52頁。1§1.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.1.1拉伸力—伸長(zhǎng)曲線

當(dāng)前2頁，總共52頁。2

1.1.2應(yīng)力-應(yīng)變曲線（σ-ε）σ=F/A；ε=△L/LA、L：分別為試樣在試驗(yàn)前的名義面積和標(biāo)注長(zhǎng)度。當(dāng)前3頁，總共52頁。3

如果按拉伸時(shí)試樣的真實(shí)截面積A和真實(shí)長(zhǎng)度L來計(jì)算，則可得到真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(S-e)當(dāng)前4頁，總共52頁。4

1.1.3幾種常見材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線當(dāng)前5頁，總共52頁。5當(dāng)前6頁，總共52頁。6§1.2彈性變形1.2.1彈性變形及其實(shí)質(zhì)1.彈性變形

定義：當(dāng)外力去除后，能恢復(fù)到原來形狀或尺寸的變形，叫彈性變形。特點(diǎn)：?jiǎn)握{(diào)、可逆、變形量很小（＜0.5～1.0%）2.彈性的物理本質(zhì)金屬的彈性性質(zhì)是金屬原子間結(jié)合力抵抗外力的宏觀表現(xiàn)。當(dāng)前7頁，總共52頁。71.2.2虎克定律

（1）簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)時(shí)εy-縱向拉伸應(yīng)變?chǔ)舩、εz：橫向拉伸應(yīng)變

E－彈性模量

ν－泊松比

σy－拉應(yīng)力單向拉伸εy=σy/Eεx=εz=－νεy=-νσy/E當(dāng)前8頁，總共52頁。8剪切和扭轉(zhuǎn)τ=G×γτ－切應(yīng)力G－切變模量γ－切應(yīng)變E、G和ν

的關(guān)系G=E/{2(1+ν)}當(dāng)前9頁，總共52頁。9

（2）廣義虎克定律當(dāng)應(yīng)力是兩向或是三向時(shí)（即復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下），應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系：ε1＝(1/E)*【σ1-ν(σ2+σ3)】ε2＝(1/E)*【σ2-ν(σ3+σ1)】ε3＝(1/E)*【σ3-ν(σ1+σ2)】σ1、σ2、σ3

——主應(yīng)力，ε1、ε2、ε3

——主應(yīng)變。當(dāng)前10頁，總共52頁。101.2.3彈性模量E

1.彈性模量的物理意義和作用虎克定律分析：應(yīng)變?yōu)橐粋€(gè)單位時(shí)，E即等于彈性應(yīng)力，即E是產(chǎn)生100％彈性變形所需的應(yīng)力?！睛舮=σy/E】

⑴物理意義：材料對(duì)彈性變形的抗力。⑵用途：工程上亦稱為剛度；計(jì)算梁或其他構(gòu)件撓度時(shí)必須用之。重要的力學(xué)性能之一。2.影響彈性模量的因素（見表1.1不同材料常溫下的E值）

⑴金屬原子本性和晶體學(xué)特性（不同材料、晶格，單晶VS多晶）；⑵溶質(zhì)原子與其強(qiáng)化；⑶顯微組織；⑷溫度；⑸加載速率；⑹其他。合金化、熱處理（顯微組織）、冷塑性變形對(duì)E的影響較小。溫度、加載速率對(duì)其的影響也不大。當(dāng)前11頁，總共52頁。111.2.4彈性極限、彈性比功（1）比例極限σp（2）彈性極限σe（3）彈性比功αe(彈性比能、應(yīng)變比能)

物理意義：吸收彈性變形功的能力。幾何意義：應(yīng)力-應(yīng)變曲線上彈性階段下的面積。

αe=(1/2)σe×εe用途：制造彈簧的材料，要求彈性比功大。Note：工程上很難測(cè)出σp、σe的準(zhǔn)確而唯一的數(shù)值。它們與下面將要介紹的屈服極限σs的概念是一致的。當(dāng)前12頁，總共52頁。121.2.5滯彈性（彈性后效）

（1）滯彈性及其影響因素實(shí)際金屬材料，彈性變形不僅是應(yīng)力的函數(shù)，而且還是時(shí)間的函數(shù)。⑴滯彈性——在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象。⑵影響因素：（a）晶體中的點(diǎn)缺陷；顯微組織的不均勻性。（b）切應(yīng)力越大，影響越大。（c）溫度升高，變形量增加。⑶危害：對(duì)長(zhǎng)期承載的傳感器，影響精度。當(dāng)前13頁，總共52頁。13（2）循環(huán)韌性⑴彈性滯后環(huán)由于應(yīng)變滯后于應(yīng)力，使加載曲線與卸載曲線不重合而形成的閉合曲線，稱為彈性滯后環(huán)。當(dāng)前14頁，總共52頁。14

物理意義：加載時(shí)消耗的變形功大于卸載時(shí)釋放的變形功。或，回線面積為一個(gè)循環(huán)所消耗的不可逆功。這部分被金屬吸收的功，稱為內(nèi)耗。⑵循環(huán)韌性若交變載荷中的最大應(yīng)力超過金屬的彈性極限，則可得到塑性滯后環(huán)。金屬材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力，叫循環(huán)韌性。循環(huán)韌性又稱為消振性。循環(huán)韌性不好測(cè)量，常用振動(dòng)振幅衰減的自然對(duì)數(shù)來表示循環(huán)韌性的大小。⑶循環(huán)韌性的應(yīng)用減振材料（機(jī)床床身、缸體等）；樂器要求循環(huán)韌性小。當(dāng)前15頁，總共52頁。15§1.3塑性變形與應(yīng)變硬化

塑性變形定義：外載荷卸去后，不能恢復(fù)的變形。塑性：材料受力，應(yīng)力超過屈服點(diǎn)后，仍能繼續(xù)變形而不發(fā)生斷裂的性質(zhì)（能力）?！唉摹?伸長(zhǎng)率，“ψ”-斷面收縮率。Ifδ≥100%，常稱為超塑性。1.3.1金屬塑性變形的方式及特點(diǎn)（1）塑性變形的方式滑移最主要的變形機(jī)制；孿生重要的變形機(jī)制（注：低溫形變或快速形變，常發(fā)生）；晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散性蠕變（注：只在高溫時(shí)才起作用）；形變帶（注：滑移和孿生都不能進(jìn)行的情況下才起作用）。當(dāng)前16頁，總共52頁。16

a.滑移有關(guān)概念滑移面：原子最密排面；滑移向：原子最密排方向?；葡担夯泼婧突葡虻慕M合?；葡翟蕉?，材料的塑性越好。晶體結(jié)構(gòu)的影響較大：fcc＞bcc＞hcp滑移的臨界分切應(yīng)力τ=(P/A)cosφcosλφ—外應(yīng)力與滑移面法線的夾角；λ—外應(yīng)力與滑移向的夾角；Ω=cosφcosλ稱為取向因子當(dāng)前17頁，總共52頁。17

b.孿生孿晶：外形對(duì)稱，其變形部分好象由兩個(gè)相同晶體對(duì)接起來的晶體；內(nèi)部原子排列呈鏡面對(duì)稱于結(jié)合面。孿晶可分為自然孿晶和形變孿晶。孿生的特點(diǎn)：比滑移困難；時(shí)間很短；變形量很?。粚\晶層在試樣中僅為狹窄的一層，不一定貫穿整個(gè)試樣。孿生與滑移的交互作用，可促進(jìn)金屬塑性變形的發(fā)展。當(dāng)前18頁，總共52頁。18

c.形變帶

由晶體點(diǎn)陣畸變而使晶體表面出現(xiàn)的彎曲區(qū)域，由于該區(qū)域貫穿整個(gè)試樣截面并成帶狀，所以稱為形變帶。相鄰滑移帶的交互作用。多個(gè)滑移系同時(shí)動(dòng)作，正常的滑移不能進(jìn)行時(shí)，就產(chǎn)生點(diǎn)陣彎曲，形成形變帶。

d.三種變形機(jī)制的比較

滑移相鄰部分滑動(dòng)，變形前后，晶體內(nèi)部原子的排列未變化。

孿生變形部分與未變形部分發(fā)生取向變化。

形變帶晶體點(diǎn)陣畸變。當(dāng)前19頁，總共52頁。19

(2)塑性變形的特點(diǎn)

a.各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性

∵各晶粒的取向不同，即取向因子cosφcosλ不同。

對(duì)于具體材料，還存在基體相和第二相的種類、數(shù)量、尺寸、形態(tài)、分布的影響。

b.變形的相互協(xié)調(diào)性

多晶體作為一個(gè)整體，不允許晶粒僅在一個(gè)滑移系中變形，否則將造成晶界開裂。

五個(gè)獨(dú)立的滑移系開動(dòng)，才能確保產(chǎn)生任何方向不受約束的塑性變形。當(dāng)前20頁，總共52頁。201.3.2屈服與屈服強(qiáng)度(1)屈服

在金屬塑性變形開始階段，外力不增加、甚至下降時(shí)，變形繼續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)象，稱為屈服。

特點(diǎn)：上屈服點(diǎn)、下屈服點(diǎn)（呂德絲帶）(2)屈服機(jī)理

外應(yīng)力作用下，晶體中位錯(cuò)萌生、增殖和運(yùn)動(dòng)的過程。

a.柯氏氣團(tuán)

位錯(cuò)與溶質(zhì)原子交互作用，位錯(cuò)被釘扎。

——溶質(zhì)原子聚集在位錯(cuò)線的周圍，形成柯氏氣團(tuán)。

只有提高外應(yīng)力，位錯(cuò)才能運(yùn)動(dòng)；一旦運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)發(fā)生塑性變形所需的外應(yīng)力降低。當(dāng)前21頁，總共52頁。21

b.位錯(cuò)塞積群

n個(gè)位錯(cuò)同向運(yùn)動(dòng)受阻，形成塞積群，導(dǎo)致材料要繼續(xù)發(fā)生塑性變形必須加大外應(yīng)力；一旦障礙被沖破，繼續(xù)發(fā)生塑性變形所需的外應(yīng)力降下。

c.應(yīng)變速率（單位時(shí)間的應(yīng)變量）與位錯(cuò)密度ρ、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率υ的關(guān)系

金屬材料塑性變形的與位錯(cuò)密度ρ、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率υ及柏氏矢量b成正比，即：

位錯(cuò)增值，ρ↑，

↑

提高外應(yīng)力τ,υ（位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速率）↑,↑

晶體結(jié)構(gòu)變化，b↑,↑當(dāng)前22頁，總共52頁。22

(3)屈服強(qiáng)度σs=Fs/A

由于金屬材料存在上下屈服點(diǎn)，或者屈服點(diǎn)不明確，一般將σ0.2定為屈服強(qiáng)度。

屈服強(qiáng)度是工程上從靜強(qiáng)度角度選擇韌性材料的依據(jù)。分析：提高σ0.2，機(jī)件不易產(chǎn)生塑性變形；但過高的σ0.2，又不利于某些應(yīng)力集中部位的應(yīng)力重新分布，容易引起脆性斷裂。這在材料強(qiáng)韌化和選材應(yīng)用中要十分重視。當(dāng)前23頁，總共52頁。231.3.3影響屈服強(qiáng)度的因素（1）內(nèi)因

a.金屬本性及晶格類型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力：晶格阻力（P-N力）；位錯(cuò)交互作用產(chǎn)生的阻力。

P-N力fcc位錯(cuò)寬度大，位錯(cuò)易運(yùn)動(dòng)；bcc反之。

位錯(cuò)交互產(chǎn)生的阻力平行位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與林位錯(cuò)交互作用產(chǎn)生的阻力。

b.溶質(zhì)原子和點(diǎn)缺陷形成晶格畸變（間隙固溶，空位）當(dāng)前24頁，總共52頁。24

c.晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)

晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。

要使相鄰晶粒的位錯(cuò)源開動(dòng)，須加大外應(yīng)力。

Hall－Petch關(guān)系式σ=σi+Ks*

d-1/2

σi－（理解為）位錯(cuò)在基體金屬中運(yùn)動(dòng)的總阻力；d－晶粒平均直徑細(xì)化晶粒，可提高材料強(qiáng)度。d.第二相

不可變形第二相，位錯(cuò)只能繞過它運(yùn)動(dòng)。可變形第二相，位錯(cuò)可切過。第二相的作用，還與其尺寸、形狀、數(shù)量及分布有關(guān)；同時(shí)，第二相與基體的晶體學(xué)匹配程度也有關(guān)。（2）外因

溫度提高，位錯(cuò)易運(yùn)動(dòng)，σs↓。例：高溫鍛造，“乘熱打鐵”應(yīng)變速率提高，σs↑。應(yīng)力狀態(tài)切應(yīng)力τ↑，σs↓。當(dāng)前25頁，總共52頁。251.3.4應(yīng)變硬化或稱形變硬化，加工硬化（1）意義a.應(yīng)變硬化和塑性變形適當(dāng)配合，可使金屬進(jìn)行均勻塑性形變?！耙嗖揭嘹叀眀.使構(gòu)件具有一定的抗偶然過載能力。c.強(qiáng)化金屬，提高力學(xué)性能。d.提高低碳鋼的切削加工性能。(2）應(yīng)變硬化機(jī)理a.三種單晶體金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線

當(dāng)前26頁，總共52頁。26b.應(yīng)變硬化機(jī)理

易滑移階段：?jiǎn)蜗祷?/p>

hcp金屬（Mg、Zn）不能產(chǎn)生多系滑稱，∴易滑移段長(zhǎng)。

線性硬化階段：多系滑移

位錯(cuò)交互作用，形成割階、面角位錯(cuò)、胞狀結(jié)構(gòu)等；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大。

拋物線硬化階段：交滑移，或雙交滑移，刃型位錯(cuò)不能產(chǎn)生交滑移。

多晶體，一開動(dòng)便是多系滑移，∴無易滑移階段。當(dāng)前27頁，總共52頁。27

(3)應(yīng)變硬化指數(shù)

Hollomon關(guān)系式：S=k×

en(真應(yīng)力SVS真應(yīng)變e的關(guān)系）

n—應(yīng)變硬化指數(shù)；k—硬化系數(shù)

n（應(yīng)變硬化指數(shù)）值大小反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。分析：n=1，理想彈性體;n=0，材料無硬化能力。大多數(shù)金屬材料的n值在0.1～0.5之間。層錯(cuò)能低的材料應(yīng)變硬化程度大;高M(jìn)n鋼（ZGMn13），層錯(cuò)能力低，∴n大

可證明，應(yīng)變硬化指數(shù)n在數(shù)值上等于材料形成拉伸縮頸時(shí)的真實(shí)均勻應(yīng)變量。（n值與材料成形極限之間的相互關(guān)系？）n值對(duì)應(yīng)變硬化效果有重要影響：n值大者，應(yīng)變硬化效果就很突出。應(yīng)用：金屬材料的冷軋、冷拉拔，表面應(yīng)變硬化（噴丸，滾壓等），尤其對(duì)不能用熱處理方法強(qiáng)化的金屬材料，具有重要意義。當(dāng)前28頁，總共52頁。281.3.5縮頸現(xiàn)象(1)縮頸a.縮頸的意義變形集中于局部區(qū)域失穩(wěn)的臨界條件。b.縮頸的判據(jù)(根據(jù)塑性變形時(shí)，體積不變的條件，可求得)S=ds/de(式1-22)在縮頸點(diǎn)處，Sb=k*eBnSb－試樣的真實(shí)抗拉強(qiáng)度eB－最大真實(shí)應(yīng)變量積分，得eB=n結(jié)論：當(dāng)金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)n等于最大真實(shí)均勻塑性應(yīng)變量時(shí)，便產(chǎn)生縮頸。所以，n值大時(shí)，材料的均勻塑性變形能力強(qiáng)！

c.頸部的三向拉應(yīng)力狀態(tài)承受三向拉應(yīng)力（相當(dāng)于厚板單向拉伸，平面應(yīng)變狀態(tài)）當(dāng)前29頁，總共52頁。29

(2)抗拉強(qiáng)度σb——

實(shí)際材料在靜拉伸下最大承載應(yīng)力。

技術(shù)意義：

a.易于測(cè)定，重現(xiàn)性好b.不能作為韌性材料的設(shè)計(jì)參數(shù)，脆性材料可以用。c.σs/σb對(duì)材料成型加工極為重要。較小的σs/σb比值幾乎對(duì)所有的沖壓成型都是有利的。d.σb與材料硬度HB、疲勞極限σ-1之間有一定經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：如：σb≈（1/3）HB；淬火鋼σ-1≈（1/2）σb當(dāng)前30頁，總共52頁。301.3.6塑性(1)塑性與塑性指標(biāo)

材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。（δ、Ψ）

比例試樣：L0=5d0或L0=10d0（L0-標(biāo)注長(zhǎng)度、d0-名義截面直徑）

由于大多數(shù)材料的集中塑性變形量大于均勻變形量，∴δ5>δ10

(斷后伸長(zhǎng)率，意味著“試樣越短，越反映集中塑性變形能力”)

金屬拉伸時(shí)，當(dāng)Ψ>δ時(shí)，產(chǎn)生縮頸；反之，不產(chǎn)生。

Ψ反映了材料斷裂前的最大塑性變形量。而δ則未能顯示材料的最大塑性變形。

冶金因素對(duì)Ψ的影響更突出，Ψ比δ對(duì)組織變化更為敏感。最大力下的總伸長(zhǎng)率與原始標(biāo)距的百分比δqt，實(shí)際上是金屬材料拉伸時(shí)產(chǎn)生的最大均勻塑性變形（工程應(yīng)變量）∵eB=ln(1+δqt)

δqt對(duì)于評(píng)定沖壓板材的成型能力很有用。當(dāng)前31頁，總共52頁。31(2)塑性的意義和影響因素意義：

a.確保安全，防止產(chǎn)生突然破壞；

b.緩和應(yīng)力集中；

c.軋制、擠壓等冷熱加工變形；

影響因素：

a.細(xì)化晶粒，塑性↑；

b.軟的第二相，塑性↑；

c.溫度提高，塑性↑；

d.固溶、硬的第二相等，塑性↓。

(3)塑性的綜合性能指標(biāo)

σs/σb（屈強(qiáng)比）σs/σb↓，材料的塑性↑。

σb/V（體積比強(qiáng)度）σb/V↑，減輕構(gòu)件的重量。當(dāng)前32頁，總共52頁。321.3.7靜力韌度

韌性：材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。（或者材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，J/m3），是材料的力學(xué)性能。

靜力韌度UT

：靜拉伸時(shí)，單位體積材料斷裂所吸收的功（是強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)）。J/m3

此外還有沖擊韌度、斷裂韌度。對(duì)韌性材料：UT

＝σb*δ或UT

＝（1/2）*(σs+σb)*δ

工程意義：對(duì)按照屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)、有偶而過載的機(jī)件必須考慮（如鏈條、起重吊鉤等，服役特點(diǎn)：沖擊加載）。當(dāng)前33頁，總共52頁。33§1.4金屬的斷裂斷裂：在外載作用下，材料完全破斷為兩個(gè)部分以上的現(xiàn)象。（斷裂是機(jī)件三大失效形式之一/其他還有腐蝕、磨損，它使材料失去完整性）

斷裂發(fā)生存在突然性：不僅出現(xiàn)在高應(yīng)力和高應(yīng)變時(shí)；也發(fā)生在低應(yīng)力和無明顯塑性變形條件下！對(duì)此不可輕視！1.4.1斷裂的基本類型(1)按斷裂前塑性變形量的大小分：脆性斷裂、韌性斷裂(2)斷裂面的取向分：正斷、切斷(3)裂紋擴(kuò)展的途徑分：穿晶斷裂、沿晶斷裂(4)斷裂機(jī)理分：

解理斷裂、微孔聚集型斷裂、純剪切斷裂當(dāng)前34頁，總共52頁。34當(dāng)前35頁，總共52頁。351.4.2斷裂及斷口特征（1）韌性斷裂與脆性斷裂（宏觀）

a.韌性斷裂

——斷裂特點(diǎn)：

斷裂前，宏觀變形明顯；過程緩慢；

斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力，并與主應(yīng)力成45o角。

——斷口特征

斷口呈纖維狀、灰暗色，杯錐狀。

斷口特征三要素：纖維區(qū)F、放射區(qū)R、剪切唇S

F纖維區(qū)：裂紋快速擴(kuò)展，撕裂時(shí)塑性變形量大，R放射區(qū)：放射線粗。

S剪切唇：切斷。

——其危害程度不及脆性斷裂，斷裂前機(jī)件已變形失效。當(dāng)前36頁，總共52頁。36b.脆性斷裂

——斷裂特點(diǎn)

斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，無明顯前兆；

斷口與正應(yīng)力垂直。

——斷口特征

平齊光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀；

人字紋花樣的放射方向與裂紋擴(kuò)展方向平行。

通常，脆斷前也產(chǎn)生微量的塑性變形，一般規(guī)定：

Ψ<5%為脆性斷裂；>5％時(shí)為韌性斷裂。

可見，金屬材料的韌性與脆性是根據(jù)一定條件下的塑性變形量來規(guī)定的。條件改變，材料的韌性與脆性行為會(huì)隨之而改變。

例如：T↓↓、脆性↑。當(dāng)前37頁，總共52頁。37

（2）穿晶斷裂與沿晶斷裂（微觀）

特點(diǎn)：穿晶斷裂→裂紋穿過晶界。沿晶斷裂→裂紋沿晶擴(kuò)展。

穿晶斷裂，可以是韌性或脆性斷裂；兩者有時(shí)可混合發(fā)生。

沿晶斷裂（斷口形貌呈冰糖狀，如圖1-20），多數(shù)是脆性斷裂。當(dāng)前38頁，總共52頁。38（3）純剪切斷裂、微孔聚集型斷裂、解理斷裂（機(jī)理）

a.純剪切斷裂

沿滑移面分離而造成的分離斷裂。b.微孔聚集型斷裂

微孔形核、長(zhǎng)大、聚合導(dǎo)致材料分離。c.解理斷裂

以極快速率沿一定晶體學(xué)平面(解理面)產(chǎn)生的穿晶斷裂。解理面一般是指低指數(shù)晶面或表面能量低的晶面。（表1-6，P28）fcc金屬一般不發(fā)生解理斷裂。

解理斷裂總是脆性斷裂。當(dāng)前39頁，總共52頁。391.4.3解理斷裂機(jī)理和微觀斷口特征

（1）解理裂紋的形成和擴(kuò)展（裂紋的萌生，擴(kuò)展）材料斷裂前總會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形。而塑性變形與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

a.位錯(cuò)塞積理論

位錯(cuò)塞積頭處，應(yīng)力集中，超過材料的強(qiáng)度極限，∴裂紋形成。其塞積頭處的最大拉應(yīng)力為：（1-31）（τ－τi）—滑移面上的有效切應(yīng)力d—晶粒直徑,從位錯(cuò)源S到塞積頭O的距離為d/2r—自位錯(cuò)塞積頭到裂紋形成點(diǎn)的距離可推導(dǎo)，σm＝（Eγs/a0)1/2（參見五、1）σm-理想晶體沿解理面斷裂的理論斷裂強(qiáng)度E-彈性模量，γs－表面能，a0－原子晶面間距討論：E越小、γs越小，σm越低。沿晶面間距越大（a0越小）的原子平面斷裂時(shí)的σm越低。當(dāng)前40頁，總共52頁。40

柯垂耳用能量分析法導(dǎo)出解理裂紋擴(kuò)展的臨界條件為：σ－外加應(yīng)力σ×n×b=2γ（1-34）n－塞積的位錯(cuò)數(shù)

b－位錯(cuò)柏氏矢量的模理解：為產(chǎn)生解理斷裂，裂紋擴(kuò)展時(shí)外加正應(yīng)力所作的功必須等于（能補(bǔ)償）產(chǎn)生裂紋新表面的表面能。σ*n*b－“外加正應(yīng)力同時(shí)推動(dòng)n個(gè)塞積的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)b距離所做的功”分析:(1)據(jù)圖1－21，裂紋底部邊長(zhǎng)也就是切變位移nb，nb是（τ－τi）作用的結(jié)果，設(shè)滑移帶穿過直徑為d的晶粒，則原來分布在滑移帶上的彈性剪切位移為：。(2)滑移帶上的切應(yīng)力因出現(xiàn)塑性位移nb而被松弛，則彈性剪切位移應(yīng)等于塑性位移，即：

（1-35）當(dāng)前41頁，總共52頁。41將式（1－35）代入式（1－34），得：（1-36）因?yàn)榍r(shí)（τ＝τs）裂紋已形成，τs又與晶粒直徑之間存在Hall－Petch關(guān)系，i.e.,代入式（1－36），得：（1-37）σc－長(zhǎng)度相當(dāng)于直徑d的裂紋擴(kuò)展所需之應(yīng)力，或裂紋體的實(shí)際斷裂強(qiáng)度，式（1－37）即為屈服時(shí)產(chǎn)生解理斷裂的判據(jù)?？梢姡琩減小，σc↑?！嗑Я＜?xì)化，材料的強(qiáng)度↑，材料的脆性減小；第二相質(zhì)點(diǎn)的平均自由程入越小，材料的強(qiáng)度↑。當(dāng)前42頁，總共52頁。42（1）解理裂紋的形成和擴(kuò)展a.位錯(cuò)塞積理論（前面剛討論）b.位錯(cuò)反應(yīng)理論

位錯(cuò)反應(yīng)，形成新的位錯(cuò)，能量降低，∴有利于裂紋形核。c.史密斯理論（脆性材料萌生裂紋）

位錯(cuò)塞積，在脆性相內(nèi)萌生裂紋。

當(dāng)前43頁，總共52頁。43（2）解理斷裂的微觀斷口特征電鏡觀察

a.河流狀（圖1-25）解理臺(tái)階，匯合臺(tái)階高度足夠大形成河流狀花樣。

裂紋跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。解理臺(tái)階是沿兩個(gè)高度不同的平行解理面上擴(kuò)展的解理裂紋相交時(shí)形成的。其方式為：解理裂紋與螺位錯(cuò)相交形成；通過二次解理成撕裂形成。“河流”的流向與裂紋擴(kuò)展方向一致。微觀上，可從河流的反方向?qū)ふ覕嗔言?。船用鋼板解理斷口上的河流花樣?dāng)前44頁，總共52頁。44

晶界對(duì)解理斷口的影響:

--小角度傾斜晶界裂紋能越過晶界，“河流”可延續(xù)到相鄰晶粒內(nèi)。

--扭轉(zhuǎn)晶界（位向差大）

裂紋不能直接穿過晶界，必須重新形核。

裂紋將沿若干組新的相互平行的解理面擴(kuò)展，形成新的“河流”。當(dāng)前45頁，總共52頁。45

b.舌狀花樣

解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展留下的舌狀凹坑或凸臺(tái)。（見圖）

c.準(zhǔn)解理

由于晶體內(nèi)存在彌散硬質(zhì)點(diǎn)，解理裂紋起源于晶內(nèi)硬質(zhì)處點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣。

準(zhǔn)解理不是獨(dú)立的斷裂機(jī)制。是解理斷裂的變種。當(dāng)前46頁，總共52頁。461.4.4微孔聚集斷裂機(jī)理和微觀斷口特征

(1)斷裂機(jī)理

a.微孔形核

點(diǎn)缺陷聚集、第二相質(zhì)點(diǎn)碎裂或脫落；

位錯(cuò)引起的應(yīng)力集中，不均勻塑性形變。

b.微孔長(zhǎng)大

滑移面上的位錯(cuò)向微孔運(yùn)動(dòng)，使其長(zhǎng)大。

c.微孔聚合

應(yīng)力集中處，裂紋向前推進(jìn)一定長(zhǎng)度。

當(dāng)前47頁，總共52頁。47(2)微觀斷口特征韌窩（火山口式、圓形、橢圓形）（圖1-32）

（1）韌窩形狀

（a）正應(yīng)力⊥微孔的平面，形成等軸韌窩；

退火低碳鋼拉伸試樣中心纖維區(qū)就是等軸韌窩。

（b）拉長(zhǎng)韌窩扭轉(zhuǎn)、或雙向不等應(yīng)力狀態(tài)；切應(yīng)力，形成拉長(zhǎng)韌窩；（c